Холодные молекулы в трехмерном газе защитили с помощью электрического поля

J.-R. Li et al / Nature Physics, 2021

Физики смогли реализовать экранирование холодных молекул с помощью постоянного электрического поля в трехмерном газе. Они убедились, что в этом случае упругие столкновения молекул доминируют над неупругими, и применили это для демонстрации охлаждения испарением до температур, близких к температуре вырождения газа. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Изучение холодных квантовых газов открывает дорогу к наблюдению необычных коллективных эффектов. Наибольший прогресс был достигнут с атомными газами, поскольку с ними работать проще всего. Однако атомные газы уступают газам, состоящим из молекул по ряду причин. Например, полярные молекулы обладают большим электрическим дипольным моментом и богатой энергетической структурой, поэтому экзотические коллективные эффекты с их участием были бы сильнее и разнообразнее.

Однако проблема заключается в том, что для наблюдения этих эффектов энергия, переданная газу, должна распределяться по нему равномерно через упругие столкновения. Однако при условиях, в которых существуют квантовые газы, доминируют неупругие столкновения, которые приводят к распаду молекул. Проблему пытаются решать уменьшением размерности газа, а также с помощью экранирования постоянными электрическими полями или с помощью микроволнового излучения (про этот метод мы недавно писали). Однако на сегодняшний день ни в одной из работ не изучены упругие столкновения в объемных трехмерных газах.

Группа физиков из США и Франции при участии Гульвена Кеменера (Goulven Quéméner) смогла создать условия, при которых упругие рассеяния в трехмерном молекулярном газе оказались доминирующими по отношению к неупругим за счет экранирования электрическим полем. Они добились этого путем перемешивания двух вырожденных столкновительных каналов за счет резонансной дипольной связи, которая зависит от расстояния и ориентации молекул относительно друг друга. Возникающее отталкивание или притяжение можно описать эффективным потенциалом, зависящим от электрического поля. Расчеты показали, что при напряженности электрического поля, равной 12,67 киловольт на сантиметр, потенциал имеет максимально отталкивающий характер, причем для всех ориентаций молекул.

Для проверки этого механизма авторы создавали облако молекул при температуре 300 нанокельвин в оптической дипольной ловушке с помощью магнитоассоциации атомов 40K и 87Rb в магнитном поле и последующем вынужденном рамановском переходе в электрическом поле. Затем они переводили созданные молекулы из основного состояния в возбужденное вращательное состояние |1,0> с помощью микроволнового π-импульса. В таком состоянии потери молекул в газе начинают сильно зависеть от приложенного электрического поля через эффективный потенциал. Физики убедились в этом экспериментально, построив график зависимости скорости потерь от напряженности поля. В частности, как и показывали расчеты, при напряженности, равной 12,72 киловольт на сантиметр, наблюдается провал в графике, который соответствует времени жизни молекулярного ансамбля, равного десяти секундам.

Убедившись в работоспособности механизма экранирования, физики решили проверить как упругие столкновения влияют на распределение энергии по степеням свободы в трехмерном газе. Для этого они возбуждали газ таким образом, чтобы увеличить скорость движения (и, по сути, температуру) молекул только вдоль одного из направлений, а затем наблюдали за ее уменьшением с одновременным увеличением скорости вдоль других направлений. Повторяя измерения для различных углов между электрическим полем и осью ловушки, авторы сравнивали экспериментальные данные с решениями системы дифференциальных уравнений для каждого угла. Они обнаружили хорошее согласие теории с экспериментом, подтвердив таким образом доминирующий вклад упругих столкновений.

Основываясь на этой информации, авторы предположили, что это свойство экранированных молекул можно использовать для испарительного охлаждения, суть которого заключается в том, чтобы понизить барьер ловушки и позволить слишком быстрым молекулам ее покинуть. В результате этого после перераспределения энергии общая температура газа должна опуститься. Понижая барьер, авторы действительно смогли добиться охлаждения молекулярного газа почти в два раза, достигнув температуры, в полтора раза превышающей температуру Ферми.

Исследователи отмечают, что охлаждение газа ниже температуры Ферми позволит наблюдать его квантовое вырождение, но на текущий момент этому препятствует паразитный нагрев, вызванный скачком электрического поля, необходимый для проведения экспериментального протокола. Авторы видят выход из этого в приготовлении молекул при бо́льших напряженностях электрических полей, а также в повторе эксперимента с другими молекулами, например 23Na133Cs.

Физики регулярно проводят охлаждения все более и более сложных видов материи. Не так давно они продемонстрировали лазерное охлаждение антиводорода и удаленное симпатическое охлаждение одиночного протона.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.